Manyetik geçiş elementiyle katkılanmış germanyum yarı iletkenlerinin büyütülmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Geleneksel elektronik aygıtlar en küçük yarı iletken kanalları içerisinden geçen elektrik akımıyla çalışırken, bir spintronik, spin elektroniğine dayalı, aygıt spin kutuplu akımlarla da kontrol edilebilir. Günümüzde elektronun spini yarı iletken teknolojisi dışındaki alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat spin elektroniğinin bütün kapasitesiyle geliştirilebilmesi, yani bilgilerin hem işlenip hem de depolanabilmesi, metallerle mümkün değildir. Bunun yerine, eğer spintronik aygıtlar yarı iletkenlerden yapılabilirse, prensip olarak benzersiz manyetik hafıza depolama kapasitesini ve etkileyici işlem gücünü bir arada sağlayabilirler. Bunun gerçekleşebilmesi için yarı iletkenlerde spin taşınımı, spin kutuplu akımların oluşturulması ve ölçülmesi gerekmektedir. DMS'ler ev sahibi yarı iletken içerisine katkılanan geçiş metal atomlarının yarı iletken içerisindeki taşıyıcıları kutuplaştırmasıyla elde edilen malzemelerdir. Burada zor olan bir dış manyetik alan etkisinde kalmadan oda sıcaklığında ferromanyetik düzene sahip olan DMS'ler bulabilmektir. Silisyum bazlı teknolojiyle uyumlu olan germanyum'a yüksek oranda mangan katkılanması oda sıcaklığında ferromanyetik özellik göstermesini sağlamak ve bu ferromanyetik özelliği, ikinci bir geçiş elementi (Co) ile güçlendirmektir.. Bu tez çalışmasında Mn katkılanmış Ge yarı iletken ve Mn ile birlikte Co katkılanmış Ge yarı iletken ince filmlerinin hazırlama parametreleri (alttaş sıcaklığı, manyetik metal katkı oranı ve katkı malzemesi) optimize edilerek oda sıcaklığında ferromanyetik özellik gösteren yarı iletkenler elde edilmiştir. Bu yarı ilerkenler bu çalışma sürecinde geliştirilen ardışık katmanlı büyütme yöntemiyle büyütülmüştür. Bu yöntemle büyütülen numunelerde metalik kümeciklerin oluşumu gözlemlenmemiştir.. Oda sıcaklığında gözlemlenen ferromanyetizma Mn atomlarının Ge matrisi içerisinde pozitif yüklü iyonlar oluşturarak çift etkileşmesinden kaynaklanmaktadır.While conventional electronic devices are operated by flow of electric charge along ever-smaller semiconductor channels, a "spintronic" device is also controlled by the flow of electron spin. Nowadays electron spin has already been extensively used outside the semiconductor industry. But the full promise of spintronics, which is processing and storing information together, cannot be realized with metals. Instead, if spintronic devices could be made from semiconductors, then in principle they would provide the unparalleled storage capacity of magnetic memory and the impressive computing power of semiconductor logic. DMSs are materials in which a host semiconductor is doped with transition metal atoms. The challenge is to find DMSs that exhibit ferromagnetism at room temperature without the help of an external magnetic field. A high concentration of Mne in Ge which is compatible with the Si-based technology leads to room temperature ferromagnetism. Adding a second transition metal (Co) may enhance ferromagnetism in these thin films. In the frame of this thesis, the sample preparation parameters of Mn doped Ge semiconductor thin films were optimized to obtain semiconductors which have ferromagnetic properties at room temperature. These semiconductors have been grown with the consecutive multilayer deposition technique which is developed during this study. In order to investigate the reasons for room temperature ferromagnetic order, crystal structure, electronic band structure and magnetic properties of these novel materials were measured and analyzed in a wide range of temperatures. Room temperature ferromagnetism is due to the doble exhange interaction of positively charged ions created by Mn atoms doped in Ge.